專利名稱：海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于全景視覺技術(shù)、海底捕撈機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)、人工智能技術(shù)和人機(jī)協(xié)同技術(shù)在海底生物資源探索和捕撈方面的應(yīng)用，尤其適用于人機(jī)協(xié)同的多捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和捕撈作業(yè)。
背景技術(shù)：
深海生物捕撈，即對深海生物進(jìn)行捕撈，把生物從深海捕獲出水進(jìn)行科學(xué)研究或者其他商業(yè)用途。目前通常采用一種拖網(wǎng)捕獲技術(shù)，它是一種利用船舶航行的拖拽式捕撈方式。底拖網(wǎng)是一種用于對深海底棲生物等小型生物進(jìn)行捕獲技術(shù)。這種底拖網(wǎng)技術(shù)對生態(tài)系統(tǒng)造成了災(zāi)難性傷害，珊瑚、海綿、魚類和其它動物都將因此受到捕殺。同時眾多海洋生物的棲息地一海山等水下生態(tài)系統(tǒng)也遭到了嚴(yán)重的破壞。這種捕撈方式對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了無法彌補(bǔ)的損失。由于拖網(wǎng)技術(shù)很難對生物進(jìn)行有針對性的捕獲，往往造成不分青紅皂白的“濫殺無辜”，成功率低且浪費資源。近年來水下機(jī)器人越來越多地運用于人類對深海資源的探索。其中，對深海生物資源的探索也是極為重要的一環(huán)。深潛器最直觀的優(yōu)點在于科學(xué)家可以遠(yuǎn)程進(jìn)行操控并且針對性高，也不會對深海環(huán)境造成破壞。但是目前水下機(jī)器人十分昂貴，應(yīng)用于商業(yè)用途的海底生物捕撈仍然存在著很多問題。水下機(jī)器人又稱無人遙控潛水器，其工作方式是由水面母船上的工作人員通過連接潛水器的臍帶提供動力，操縱或控制潛水器，采用水下電視、聲吶等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，并由機(jī)械手進(jìn)行水下作業(yè)。在深海生物捕獲中，水下機(jī)器人使用機(jī)械手把捕獲的生物放入收集艙中帶上水面。其中水下電視系統(tǒng)是最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N觀察設(shè)備。如美國的伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所開發(fā)了一臺名為“全球最棒的漂流者”的深潛水下機(jī)器人，它配備有高清晰度攝像頭，能在深達(dá)3000米的水下工作，科學(xué)家可遠(yuǎn)距離操作，將水中抓獲的生物存放在機(jī)器人的收集艙中。但是，目前使用在水下機(jī)器人中的水下電視系統(tǒng)所獲取的圖像仍然是平面視覺信息，無法獲得被捕獲對象的深度信息；而且視覺范圍十分有限。這種水下機(jī)器人的制造成本極其昂貴。隨著計算機(jī)技術(shù)和信息采集與處理技術(shù)的發(fā)展，人工智能、機(jī)器視覺等新技術(shù)在水下機(jī)器人的應(yīng)用研究得到了重視。結(jié)合了海底針對性的捕撈技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的水下捕撈機(jī)器人的研制是當(dāng)前國內(nèi)外海洋機(jī)器人研究領(lǐng)域的研究熱點之一。機(jī)器視覺用各種成像系統(tǒng)代替視覺器官作為輸入敏感手段，由計算機(jī)來代替大腦完成處理和解釋，能依據(jù)視覺敏感和反饋的某種程度的智能完成一定的任務(wù)。尤其是近年來，機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，為捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和海底生物的識別提供了一種新的解決方案；全景立體視覺技術(shù)的出現(xiàn)為捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和海底生物的識別定位提供了極大的便利。捕撈機(jī)器人中無論采用何種移動機(jī)構(gòu)，都存在移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航問題。目前移動機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號的類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可以分為基于地圖導(dǎo)航、基于信標(biāo)導(dǎo)航、基于GPS和視覺導(dǎo)航以及基于感知器導(dǎo)航等?；诘貓D的導(dǎo)航方式，事先要將機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境輸入控制系統(tǒng)內(nèi)，形成電子地圖。在結(jié)構(gòu)化、環(huán)境條件已知的情況下，可以采用此種方法。基于信標(biāo)導(dǎo)航，需要在作業(yè)環(huán)境的確定位置設(shè)立信標(biāo)。機(jī)器人通過安裝在身體上的測量裝置檢測其與信標(biāo)的相互關(guān)系，推算自身的位姿。這種方式下，機(jī)器人的定位誤差只取決于機(jī)器人與各信標(biāo)的相對位置，在工業(yè)自動導(dǎo)引小車中用到這種方法。捕撈機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，需要機(jī)器人根據(jù)環(huán)境的變化自行確定行走的方向。上述這些方法在海底環(huán)境中難以實施，因此，視覺導(dǎo)航成為捕撈機(jī)器人自主導(dǎo)航的首選方法。視覺導(dǎo)航技術(shù)的基本原理是，利用視覺傳感器作為感知元件，獲取海底周邊環(huán)境的圖像。經(jīng)過圖像二值化、濾波等圖像處理后，利用Hough變換等技術(shù)提取邊界信息。然后根據(jù)模式識別技術(shù)，確定障礙物的方位和機(jī)器人的行走路線。控制器經(jīng)過路徑規(guī)劃、優(yōu)化，控制捕撈機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，指揮捕撈機(jī)器人在無人干涉情況下自主移動到預(yù)定的位置。視覺導(dǎo)航需要處理大量的圖像數(shù)據(jù)，需要采用專用的圖像處理卡。目前，有些研究者利用DSP芯片實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字化轉(zhuǎn)換、分析和處理的全部功能，直接將處理結(jié)果傳送給主機(jī)。另一方面，目前在基于視覺導(dǎo)航的行走機(jī)器人技術(shù)方面基本上采用一般的彩色攝像機(jī)作為視覺感知元件，要獲取捕撈機(jī)器人周邊環(huán)境的視頻圖像往往需要用多個攝像機(jī)分別朝著不同的方向進(jìn)行拍攝，并用多視頻圖像數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行處理；另一種方案是采用云臺技術(shù)不斷地掃描行走機(jī)器人的周邊環(huán)境；上述這兩種方式都會增加硬件和軟件成本，造成了在圖像分析處理上很大的負(fù)擔(dān)。對于非結(jié)構(gòu)化的捕撈環(huán)境采用全方位的智能感知是必不可少的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的海底生物捕撈機(jī)器人的機(jī)構(gòu)復(fù)雜、控制復(fù)雜度高、智能化要求高、制造和維護(hù)成本昂貴、難以實現(xiàn)針對性的捕撈、環(huán)境適應(yīng)性差和捕撈效率不高等不足，本發(fā)明提供一種具有機(jī)構(gòu)簡單、控制復(fù)雜度低、有限智能化、捕撈效率高、環(huán)境適應(yīng)性好、制造和維護(hù)成本低、能針對性的實現(xiàn)捕撈的深海捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，包括捕撈機(jī)器人，用于實現(xiàn)人-捕撈機(jī)器人之間進(jìn)行信息交互的通信網(wǎng)和用于對捕撈現(xiàn)場和捕撈機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析處理和判斷的、并用于在人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)中為捕撈管理人員提供遠(yuǎn)程干預(yù)和管理的、安置在水面母船控制室中的計算機(jī)；所述捕撈機(jī)器人，包括外部形狀類似于海龜?shù)牟稉茩C(jī)器人的本體，基于人工肌肉的具有海底行走和捕撈海底生物兩種功能的機(jī)器手，用于感知水深的壓力傳感器，用于檢測捕撈機(jī)器人行走方向的數(shù)字羅盤，用于獲取捕撈機(jī)器人周邊360°的全景立體視覺視頻圖像的雙目立體全景視覺傳感器和用于控制機(jī)器手協(xié)調(diào)海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導(dǎo)航、控制捕撈動作以及與水面母船進(jìn)行信息交互的智能體，以下簡稱Agent，與水面母船進(jìn)行通信和能源設(shè)備提供設(shè)備連接的臍帶；所述的捕撈機(jī)器人本體，外形非常類似于海龜，底部平坦，背部隆起，俯視呈現(xiàn)橢圓形，如附圖1所示；所述的捕撈機(jī)器人本體內(nèi)部分隔成為三個空間，一個空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對象；一個空間為控制設(shè)備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設(shè)備儀器儀表艙中安裝著所述的智能體、其他控制儀器儀表以及備用電源，所述的臍帶接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體通信接口和備用電源進(jìn)行連接；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機(jī)器人提供照明的環(huán)形LED光源，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機(jī)器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的USB接口進(jìn)行連接；所述的壓力傳感器，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的A/D接口進(jìn)行連接，用于檢測所述的捕撈機(jī)器人本體所受到的海水壓力，從而從壓力值推算出所述的捕撈機(jī)器人本體所處的深度；所述的數(shù)字羅盤，安置在控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)，與所述的智能體的I/O接口進(jìn)行連接，用于檢測所述的捕撈機(jī)器人的行走方向，根據(jù)所述的捕撈機(jī)器人行走控制與行走方向得到所述的捕撈機(jī)器人在海底行走的軌跡；一個空間為浮力艙，位于收集艙和控制設(shè)備儀器儀表艙之間，主要用于控制所述的捕撈機(jī)器人行走時的穩(wěn)定性以及升降；所述的浮力艙上開有兩個口，一個口用電磁閥控制其開和閉，當(dāng)開的狀態(tài)時浮力艙與外界相通，當(dāng)閉的狀態(tài)時浮力艙與外界隔絕；另一個口與水泵輸入口連接，水泵工作時將浮力艙的海水抽出，在浮力艙中形成一定的真空，使得捕撈機(jī)器人上??；因此當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的下降時，控制電磁閥開讓海水進(jìn)入所述的浮力艙；當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的上升時，控制電磁閥關(guān)閉然后使水泵工作讓所述的浮力艙中的海水抽出，使得捕撈機(jī)器人具有向上的浮力；所述的數(shù)字羅盤，采用電子磁羅盤作輔助傳感器，精度在1°左右，其誤差不隨時間累積，與慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，可以提高捕撈機(jī)器人的航向精度；本發(fā)明中采用美國Honwell公司生產(chǎn)的HMR3500電子磁羅盤，內(nèi)部裝有全球地磁修正模型，能根據(jù)時間和地理經(jīng)緯度對地磁模型進(jìn)行補(bǔ)償修正，得到地理北方位，該傳感器還具備使用環(huán)境的磁場補(bǔ)償功能；所述的捕撈機(jī)器人包括捕撈機(jī)器手、用于獲取捕撈區(qū)域全景立體視頻圖像的全景立體視覺傳感器和用于實現(xiàn)捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航、避障、定位和路徑規(guī)劃功能的智能體，以下簡稱Agent，所述的Agent根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器感知的信息進(jìn)行分析、計算和推理，在常規(guī)情況下，根據(jù)在母船上的所述的捕撈管理人員下達(dá)的捕撈區(qū)域和捕撈時間的捕撈作業(yè)調(diào)度決策，自動做出路徑規(guī)劃，驅(qū)動所述的捕撈機(jī)器手完成邊行走邊捕撈的任務(wù)操作；在非常規(guī)情況下通過所述的臍帶向捕撈管理人員提供非規(guī)則事件等信息，請求捕撈管理人員的干預(yù)；所述的Agent包括任務(wù)規(guī)劃行為模塊、協(xié)調(diào)行為模塊、與捕撈管理人的交互行為模塊、緊急行為模塊、避障行為模塊、升降行為模塊、路徑跟蹤行為模塊、行走行為模塊、轉(zhuǎn)向行為模塊、捕撈對象的識別模塊、捕撈對象的空間定位行為模塊和捕撈行為模塊；所述的通信網(wǎng)，用于在母船上的捕撈管理人員與在深海作業(yè)的各捕撈機(jī)器人之間的信息交互；所述的通信網(wǎng)通過所述的臍帶將分布在捕撈區(qū)域中的捕撈機(jī)器人與所述的捕撈管理人員構(gòu)成一個人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)，根據(jù)需求、環(huán)境和捕撈對象的變化，通過動態(tài)自組織的方式協(xié)同地感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的多捕撈機(jī)器人和各種捕撈對象的信息，形成一種人與捕撈機(jī)器人相互激發(fā)、優(yōu)勢互補(bǔ)、共同尋求問題求解的協(xié)同機(jī)制。所述的避障行為模塊，通過全景立體視覺的方式檢測出行進(jìn)方向上的障礙物，障礙物全景立體視覺檢測過程為1)去除全景立體圖像中非立體視覺視場方位的部分，對全景圖像進(jìn)行展開和極線校正，這部分主要通過展開圖像內(nèi)徑、外徑、以及柱狀展開圖上極線校正來完成；2)對展開圖像采用邊緣檢測技術(shù)初步檢測出疑似障礙物的邊緣信息，通過閾值調(diào)整，檢測出障礙物的邊緣信息；3)對捕撈機(jī)器人所獲取的全景立體圖像對中的所有疑似障礙物點利用極線約束進(jìn)行立體匹配，根據(jù)匹配的像素對的圖像坐標(biāo)值進(jìn)行立體視覺空間點的重建，根據(jù)全景立體視覺傳感器成像時，圖像坐標(biāo)、全景立體視覺傳感器的坐標(biāo)以及現(xiàn)實世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計算得出其相應(yīng)的高度值，當(dāng)高度大于給定閾值時則判定為障礙物點；障礙物點的高度以及障礙物點與捕撈機(jī)器人的距離的計算方法由公式(I) 公式(2)表示；Cl=(IDCosY1CosY2)Zsin(YfY2)(I)h=H-b_dXarctan y 2=H_dXarctan Y1(2)式中，d表示障礙物點A與捕撈機(jī)器人的全景立體視覺軸線在海底面上投影點的距離，b表示構(gòu)成全景立體視覺的兩個全景視覺傳感器的視點間的距離，Y1表示障礙物點A在上全景視覺傳感器上成像的入射角，Y 2表示障礙物點A在下全景視覺傳感器上成像的入射角，h表示障礙物點A的高度，H表示上全景視覺傳感器的視點到海底面的距離；在檢測出障礙物后就需要讓捕撈機(jī)器人采取避障行為，所述避障行為的流程為步驟I)如果沒有檢測到障礙物，則沿著所設(shè)定的方向繼續(xù)前進(jìn)；步驟2)如果檢測到前進(jìn)方向存在障礙物，獲得障礙物的距離信息，判斷障礙物與捕撈機(jī)器人的距離是否小于2米，如果是則進(jìn)入避障區(qū)；步驟3)進(jìn)入障礙區(qū)后減速前進(jìn)，啟動避障策略，繞開障礙物；步驟4)關(guān)閉避障策略，繼續(xù)從步驟I)開始執(zhí)行，直至遍歷整個捕撈區(qū)域；避障策略采用模糊控制算法來實現(xiàn)。 所述的協(xié)調(diào)行為模塊包括外部協(xié)調(diào)單元和內(nèi)部協(xié)調(diào)單元，內(nèi)部協(xié)調(diào)單元對直行捕撈行為模塊、轉(zhuǎn)向行為模塊、行走行為模塊和避障行為模塊進(jìn)行選擇，決定哪個行為模塊被激活，并對同時激活的行為模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)；1)體現(xiàn)緊急事件最優(yōu)先的原則，一旦所述的緊急行為模塊發(fā)出緊急請求時所述的協(xié)調(diào)行為模塊首先讓所述的直行捕撈行為模塊、所述的轉(zhuǎn)向行為模塊和所述的避障行為模塊設(shè)置為休眠鎖定狀態(tài)，接著通過與所述的捕撈管理人的交互行為模塊向捕撈管理人員請求干預(yù)，當(dāng)捕撈管理人員處理完緊急事件后才能解除所述的直行捕撈行為模塊、所述的轉(zhuǎn)向行為模塊和所述的避障行為模塊設(shè)置為休眠鎖定狀態(tài)；
2)體現(xiàn)按捕撈作業(yè)順序工作的原則，協(xié)調(diào)好所述的捕撈機(jī)器人邊行走、邊捕撈的動作，當(dāng)檢測到所述的機(jī)器手的捕撈范圍內(nèi)有捕撈對象時停止行走，當(dāng)周邊的捕撈對象都捕撈結(jié)束時再啟動行走；在行走、捕撈和轉(zhuǎn)向行為的同時其他行為模塊均處于激活狀態(tài)，并以多線程的方式分別運行在所述的Agent中。所述的與捕撈管理人的交互行為模塊，包括以下交互行為1)請求干預(yù)的交互行為，當(dāng)捕撈機(jī)器人發(fā)生緊急事件、捕撈機(jī)器人中捕撈艙已滿等情況時，請求捕撈管理人員干預(yù)；2)接受捕撈調(diào)度指令的交互行為，當(dāng)捕撈管理人員下達(dá)捕撈任務(wù)后，將捕撈任務(wù)轉(zhuǎn)達(dá)給所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，在所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊做出遍歷路徑規(guī)劃后，將遍歷路徑規(guī)劃反饋給捕撈管理人員；3)協(xié)商的交互行為，根據(jù)所述的Agent根據(jù)自身感知的情況，通過對自身知識的推理，能向捕撈管理人員提供適當(dāng)?shù)膸椭徒ㄗh；4)提供捕撈現(xiàn)場信息的交互行為，負(fù)責(zé)響應(yīng)來自捕撈管理人員的上傳信息指令，將所述的Agent所感知到的全景視頻信息和分析得到的狀態(tài)信息上傳給捕撈管理人員。所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，所述的Agent根據(jù)所述的捕撈管理人員發(fā)出的捕撈調(diào)度指令，在規(guī)定的捕撈區(qū)域內(nèi)做出遍歷路徑規(guī)劃，控制捕撈機(jī)器人沿規(guī)劃出的路徑以直線方式行走，至規(guī)定邊界后掉頭，然后沿反方向直線運行如此反復(fù)遷回，直到整個捕撈區(qū)域被覆蓋。所述的緊急行為模塊，所述的緊急行為是所述的捕撈機(jī)器人優(yōu)先級最高的行為，在所述的捕撈機(jī)器人避障行為失敗后或者是發(fā)生顛倒不能行走等事故就切換到所述的緊急行為；當(dāng)所述的緊急行為發(fā)生時，所述的Agent立刻向捕撈管理人員發(fā)出請求干預(yù)信息，等待捕撈管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)處理；當(dāng)規(guī)定時間內(nèi)沒有接到所述的管理人員干預(yù)情況下，自動啟動所述的升降行為模塊工作，使得捕撈機(jī)器人浮出海面；所述的路徑跟蹤行為模塊，捕撈機(jī)器人以迂回行走的方式進(jìn)行全區(qū)域覆蓋捕撈，識別并跟蹤捕撈軌跡，采用所述的數(shù)字羅盤跟蹤所述捕撈機(jī)器人的行走方位，根據(jù)所述捕撈機(jī)器人的行走速率跟蹤行走軌跡，根據(jù)母船上的GPS空間位置信息計算在海底的各捕撈機(jī)器人的空間位置信息，記錄每時間點各捕撈機(jī)器人的空間位置來實現(xiàn)各捕撈機(jī)器人的捕撈軌跡的跟蹤；所述捕撈管理人員乘坐在母船控制室中，通過母船中控制室內(nèi)的計算機(jī)對分布在捕撈區(qū)域內(nèi)的各所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)巡視；對所述的捕撈機(jī)器人發(fā)生的各種非常規(guī)情況，即緊急行為進(jìn)行及時的處置，對所述的捕撈機(jī)器人發(fā)出的捕撈海底生物裝卸請求做出響應(yīng)，對所述的捕撈機(jī)器人的進(jìn)行上浮控制，待所述的捕撈機(jī)器人上浮到海面上時，作業(yè)人員將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部從本體上卸下，用空的收集艙更換盛滿了捕撈對象的收集艙，重新將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部連接到本體上，然后將所述的捕撈機(jī)器人放入海中繼續(xù)進(jìn)行捕撈；所述的母船的控制室內(nèi)配置了所述的計算機(jī)，所述的計算機(jī)中安裝了捕撈管理和控制系統(tǒng)軟件，所述的捕撈管理人員通過所述的計算機(jī)對分布在各區(qū)域內(nèi)的所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行捕撈管理和控制；所述的計算機(jī)通過所述的通信網(wǎng)與分布在各區(qū)域內(nèi)的所述的捕撈機(jī)器人中的所述的Agent進(jìn)行信息交互；本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為捕撈機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)是智能型捕撈機(jī)器人自主完成任務(wù)的核心技術(shù)。由于捕撈機(jī)器人的工作特點是捕撈作業(yè)、移動同時進(jìn)行，容易受到海底環(huán)境以及捕撈過程的影響，捕撈機(jī)器人需要根據(jù)已知信息做出路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地做出決策。這其中包括三個主要內(nèi)容避障、定位和路徑規(guī)劃。因此，捕撈機(jī)器人需要具有高度自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，能適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作。理想的捕撈機(jī)器人的目標(biāo)是在沒有人的干預(yù)、無需對環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，有目的地移動和完成相應(yīng)的捕撈任務(wù)。但是以目前的自動導(dǎo)航技術(shù)水平，要全自動化地完成海底生物捕撈機(jī)器人導(dǎo)航這樣復(fù)雜的任務(wù)仍然存在著很大的困難；在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化海底環(huán)境中捕撈機(jī)器人發(fā)生任何突發(fā)事件都是有可能的；理論和實踐都表明一味追求高度的智能捕撈機(jī)器人技術(shù)，越來越表現(xiàn)出很強(qiáng)的局限性，需要運用人機(jī)一體化的思想，從系統(tǒng)論的角度加以研究；在某些情況下人的核心作用是不可替代的，人的適當(dāng)參與能有效增強(qiáng)捕撈機(jī)器人處理突發(fā)事件和不精確事件的能力，無線通信技術(shù)的發(fā)展為捕撈機(jī)器人與人的協(xié)作工作提供了便利；人通過無線通信技術(shù)適當(dāng)?shù)貙Σ稉茩C(jī)器人進(jìn)行干預(yù)，能有效地加強(qiáng)捕撈機(jī)器人的實用性，降低捕撈機(jī)器人的智能控制水平要求；另外，一個人可以通過通信網(wǎng)技術(shù)同時管理和控制多個捕撈機(jī)器人的捕撈作業(yè)。在人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)方面，捕撈機(jī)器人擅長什么、人擅長什么，怎么實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，如何實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，如何協(xié)同工作等這些都需要分析與解決。人-捕撈機(jī)器人一體化的技術(shù)路線是采取以人為主，人與捕撈機(jī)器人共同組成一個系統(tǒng)，各自執(zhí)行自己最擅長的工作，在平等合作的基礎(chǔ)上，共同認(rèn)知，共同決策；在實際運行中，相互理解、相互作用、取長補(bǔ)短和協(xié)同工作。要實現(xiàn)人-捕撈機(jī)器人一體化的技術(shù)路線，需要充分發(fā)揮人與捕撈機(jī)器人各自的特點，以協(xié)同最優(yōu)為目標(biāo)。借助一個既能理解人的思維和行為，又能理解捕撈機(jī)器人行為的中間體，在人與捕撈機(jī)器人之間建立一種柔性的耦合關(guān)系。人具有特有的認(rèn)知和行為特點，決定了這個中間體只能是由人根據(jù)自身特點、經(jīng)驗知識創(chuàng)造的，并具有人類某些重要意識屬性和行為特點的“代理人”。這個中間體駐留在與機(jī)器緊密相連的人機(jī)接口系統(tǒng)中。中間體需要具有適用于不同人的認(rèn)知和行為特點的能力，這是建立在對人的認(rèn)知和行為特點充分理解的基礎(chǔ)之上的。因此中間體本質(zhì)上是一個知識系統(tǒng)。讓中間體作為人和捕撈機(jī)器人之間信息、知識溝通的橋梁，既不需要構(gòu)建具有超智能化的捕撈機(jī)器人，又避免了人與捕撈機(jī)器人之間生硬的、刻板的直接接觸，增加了系統(tǒng)的柔順性和靈巧性。人工智能的最新發(fā)展，找到了可以充當(dāng)人與機(jī)器中間體的對象，這就是目前在人工智能領(lǐng)域中研究很熱的Agent技術(shù)。Agent指的是一些具有信念、意圖、承諾等認(rèn)知特性，在一定環(huán)境下能持續(xù)自主發(fā)揮作用，邏輯上相對獨立的智能計算實體。一般來說，Agent具有下述特點I)駐留性Agent作為一個邏輯上相對獨立的計算實體，是存在于一定的環(huán)境之中的，本發(fā)明中的Agent駐留在捕撈機(jī)器人中，Agent的信念、意圖、目標(biāo)以及行為來源于捕撈環(huán)境感知和人的控制指令，并能通過捕撈機(jī)器人的動作和行為作用于環(huán)境。2)自主性作為一個智能的問題求解器，Agent具有獨立控制自己行為和內(nèi)部狀態(tài)的能力，在沒有人的直接干預(yù)下，能適應(yīng)外界動態(tài)多變的捕撈環(huán)境，獨立自主地解決其意識傾向的目標(biāo)問題，即自主導(dǎo)航和捕撈。3)應(yīng)答性是指Agent能夠感知所處的捕撈環(huán)境和來自于人的控制指令，并能實時地對環(huán)境作出應(yīng)答，如自主避障等，并能接受人的捕撈調(diào)度控制指令。4)主動性Agent的行為不僅僅表現(xiàn)為簡單地對其海底周圍環(huán)境作出響應(yīng)，而且能夠適時、適勢的采取主動行動，以實現(xiàn)其承諾的目標(biāo)，如捕撈路徑規(guī)劃和捕撈區(qū)域內(nèi)自動尋找捕撈對象。5)社會性只有把Agent置于Mult1-agent系統(tǒng)之中，Agent才能最大程度地發(fā)揮其作用，這就需要Agent具有與其它Agent、人、組織進(jìn)行會話、協(xié)商、合作和競爭的能力，以適應(yīng)復(fù)雜多變的動態(tài)環(huán)境，如大面積棉田的捕撈任務(wù)的調(diào)度。通信網(wǎng)技術(shù)將分布在捕撈區(qū)域中的捕撈機(jī)器人與捕撈監(jiān)控中心構(gòu)成一個人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)，根據(jù)需求、環(huán)境和捕撈對象的變化，可以通過動態(tài)自組織的方式協(xié)同地感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的多捕撈機(jī)器人和各種捕撈對象的信息，形成一種人與捕撈機(jī)器人相互激發(fā)、優(yōu)勢互補(bǔ)、共同尋求問題求解的協(xié)同機(jī)制。人與捕撈機(jī)器人協(xié)同的目的是“如何讓人和捕撈機(jī)器人更好地協(xié)作解決問題”。這里Agent的主要任務(wù)是“如何協(xié)助人解決問題”。人在人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)中處于主要支配地位，捕撈管理人員主要利用自身知識在不同層次上進(jìn)行信息的抽取、提煉和融合，對捕撈管理和控制系統(tǒng)的目標(biāo)、狀態(tài)和行為進(jìn)行感知和決策，根據(jù)自己的需要和捕撈機(jī)器人的捕撈、分級、包裝以及運輸?shù)刃枰ㄖ艫gent的功能；捕撈管理人員向Agent傳授知識,從而逐步培養(yǎng)具有一定主動性和智能性的Agent ;捕撈管理人員有了新的感知捕撈機(jī)器人狀態(tài)的途徑。不僅可以通過直接觀察來感知捕撈機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，還能通過Agent的增強(qiáng)型的反饋來間接感知；Agent成為捕撈管理人員執(zhí)行決策的一種輔助，通過對自身知識的推理，能夠向捕撈管理人員提供適當(dāng)?shù)膸椭徒ㄗh。在人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)中，捕撈機(jī)器人擺脫了只能直接與捕撈管理人員交互的局面，交互的任務(wù)更為明確、直接和柔性化；Agent可以將捕撈管理人員的不精確的、模糊的執(zhí)行命令轉(zhuǎn)化為具體命令，使捕撈機(jī)器人接受起來更加容易；捕撈機(jī)器人的信息感知和處理技術(shù)，只需要強(qiáng)調(diào)有限智能化，信息的增強(qiáng)、提煉和轉(zhuǎn)化由Agent和人來協(xié)同完成。人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)在三個層面上實現(xiàn)協(xié)同，即感知層面、智能層面(主事判斷、推理、決策和創(chuàng)造)和執(zhí)行層面。感知層面上采用捕撈機(jī)器人上傳感器感知。捕撈機(jī)器人的全景視覺傳感器對捕撈環(huán)境和捕撈對象進(jìn)行精確感知，進(jìn)而將所感知的部分信息、通過通信網(wǎng)傳遞給捕撈管理人員，由捕撈管理人員分析，進(jìn)而給出決策；同時也為捕撈機(jī)器人的執(zhí)行層面提供有限智能控
制和管理。智能層面采用捕撈管理人員與捕撈機(jī)器人共同決策。捕撈管理人員主要從事形象思維、靈感思維等創(chuàng)造性思維，捕撈管理人員的中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過對人、捕撈機(jī)器人、捕撈環(huán)境所感知信息的綜合處理、判斷、決策，通過通信網(wǎng)向捕撈機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令。同時捕撈機(jī)器人的控制系統(tǒng)根據(jù)自身感知的綜合信息進(jìn)行復(fù)雜的快速計算和嚴(yán)密的邏輯推理，在常規(guī)情況下自動做出必要選擇，驅(qū)動自動導(dǎo)航模塊和捕撈模塊完成相應(yīng)的任務(wù)操作；在非常規(guī)情況下通過通信網(wǎng)向捕撈管理人員提供非規(guī)則事件等信息，請求捕撈管理人員的干預(yù)。在智能層面上，捕撈管理人員需要做出捕撈機(jī)器人、捕撈區(qū)域和捕撈時間的捕撈作業(yè)調(diào)度決策；如大面積海底生物的捕撈，捕撈調(diào)度的復(fù)雜性、隨機(jī)性和動態(tài)性使得單純依靠捕撈機(jī)器人本身的智能很難獲得優(yōu)化的調(diào)度解，采用人機(jī)協(xié)同的方式將人和捕撈機(jī)器人的優(yōu)勢結(jié)合起來解決捕撈作業(yè)調(diào)度難題是一種可行的技術(shù)路線。捕撈管理人員根據(jù)感知層面上所獲得的捕撈環(huán)境等信息以及捕撈目標(biāo)任務(wù)制定捕撈機(jī)器人-時間甘特圖和捕撈區(qū)域-時間甘特圖，最后將捕撈任務(wù)分派給分布在各捕撈區(qū)域的捕撈機(jī)器人。在智能層面上，捕撈管理人員需要對捕撈機(jī)器人處于非常規(guī)情況下的事件進(jìn)行綜合分析、處理和判斷，比如捕撈機(jī)器人發(fā)生意外顛倒、無法行走、較長時間尋找不到捕撈對象等等，捕撈人員根據(jù)事件的類型進(jìn)行干預(yù)。
在智能層面上，捕撈機(jī)器人需要做到根據(jù)規(guī)定的捕撈區(qū)域和捕撈對象生長情況實現(xiàn)自動導(dǎo)航，根據(jù)在捕撈環(huán)境中行走過程中所遇到的障礙物實現(xiàn)自動避障，在捕撈環(huán)境中行走過程中自動識別捕撈對象，根據(jù)捕撈對象的大小、形狀和顏色對捕撈對象進(jìn)行識別分類，根據(jù)所識別捕撈對象分析出其空間位置并控制捕撈機(jī)器手對準(zhǔn)捕撈對象進(jìn)行捕撈，根據(jù)捕撈機(jī)器人的收集捕撈對象收集艙中的捕撈量的多少確定捕撈機(jī)器人需要回到海面上，根據(jù)捕撈機(jī)器人的供電電源或者供能情況確定是否需要進(jìn)行能源補(bǔ)充等。執(zhí)行層面上由捕撈機(jī)器人執(zhí)行自動導(dǎo)航和捕撈任務(wù)。捕撈機(jī)器人在海底捕撈作業(yè)時，捕撈區(qū)域主要分為已捕撈區(qū)、未捕撈區(qū)等二個區(qū)域。在制定捕撈機(jī)器人-時間甘特圖和捕撈區(qū)域-時間甘特圖后，捕撈管理人員就分派給各捕撈機(jī)器人完成未捕撈區(qū)內(nèi)捕撈任務(wù)，各捕撈機(jī)器人需要制定相應(yīng)的遍歷路徑規(guī)劃，遍歷路徑規(guī)劃是一種特殊的路徑規(guī)劃方法，它涉及到一條可行路徑的規(guī)劃，以便使捕撈機(jī)器人運行軌跡充滿一整塊區(qū)域，也就是指捕撈機(jī)器人完全覆蓋所有無障礙區(qū)域的運動。捕撈機(jī)器人運動控制包括底層控制和上層控制兩大部分，底層運動控制涉及的內(nèi)容主要包括伺服控制、軌跡跟蹤、路徑跟蹤、反饋鎮(zhèn)定、捕撈機(jī)器手的控制等，上層運動控制包括視覺分析、定位、障礙物檢測與避障、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航、視覺跟蹤、遙控操作以及人機(jī)協(xié)同等。捕撈機(jī)器人視覺導(dǎo)航時，捕撈機(jī)器人前進(jìn)方向局部范圍內(nèi)近似呈直線，因此，可以采用直線路徑模型來規(guī)劃捕撈機(jī)器人的導(dǎo)航路徑，將捕撈機(jī)器人當(dāng)前位姿數(shù)據(jù)作為輸入，捕撈機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整量作為輸出。實現(xiàn)行走系列的捕撈機(jī)器人的關(guān)鍵是1)以數(shù)字羅盤所指出的方向為基準(zhǔn)線的基于全景視覺的自動導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)其自主行走；2)在捕撈機(jī)器人的信息感知和處理方面采用有限智能化方法來加強(qiáng)捕撈機(jī)器人的實用性，降低捕撈機(jī)器人的智能控制水平要求；3)設(shè)計一種具有一定主動性和智能性的Agent，作為人和捕撈機(jī)器人之間信息、知識溝通的橋梁，既不需要構(gòu)建具有超智能化的捕撈機(jī)器人，又可避免人與捕撈機(jī)器人之間生硬的、刻板的直接接觸，增加系統(tǒng)的柔順性和靈巧性。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在I)采用了以數(shù)字羅盤所指出的方向為基準(zhǔn)線的基
于全景視覺的自動導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)了捕撈機(jī)器人的自主行走；2)在捕撈機(jī)器人的信息感知
和處理方面采用有限智能化方法來加強(qiáng)捕撈機(jī)器人的實用性，降低捕撈機(jī)器人的智能控制
水平要求；3)設(shè)計一種具有一定主動性和智能性的Agent，作為人和捕撈機(jī)器人之間信息、
知識溝通的橋梁，既不需要構(gòu)建具有超智能化的捕撈機(jī)器人，又可避免人與捕撈機(jī)器人之
間生硬的、刻板的直接接觸，增加系統(tǒng)的柔順性和靈巧性；4)采用有線通信技術(shù)構(gòu)成人捕撈
機(jī)器人之間通信的通信網(wǎng)，便于實現(xiàn)人-機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)；5)在人-機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)過程
中，人的適當(dāng)參與有效地增強(qiáng)捕撈機(jī)器人處理突發(fā)事件和不精確事件的能力；另一方面，常
規(guī)情況下的事件和重復(fù)性的捕撈作業(yè)均由捕撈機(jī)器人自主處理和完成，極大的解放了人的
勞動強(qiáng)度，拓廣了捕撈管理人員的管理范圍，提高了捕撈效率；6)運用人機(jī)協(xié)同的觀點，發(fā)
揮人在海底生物捕撈控制與管理中的核心作用，強(qiáng)調(diào)人與捕撈機(jī)器人在兩者共同組成的系
統(tǒng)中協(xié)同工作，實現(xiàn)有效的信息集成與系統(tǒng)優(yōu)化，充分發(fā)掘和利用計算機(jī)及無線網(wǎng)絡(luò)通訊
技術(shù)最新成果的技術(shù)優(yōu)勢，通過人與捕撈機(jī)器人的有機(jī)結(jié)合，獲得最佳協(xié)調(diào)效益和綜合效.、
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圖1為駐留在捕撈機(jī)器人中的Agent的功能框圖；圖2為一種仿生海底生物捕撈機(jī)器人的行走示意圖，其中，I為本體，2為四肢，3為收集艙，4為浮力艙,5為Agent, 6為雙目立體全景視覺傳感器；圖3為一種仿生海底生物捕撈機(jī)器人的捕撈示意圖，，其中，I為本體，8為捕撈管道，3為收集艙，4為浮力艙，5為Agent，6為雙目立體全景視覺傳感器，7為海參等海底生物；圖4為在捕撈現(xiàn)場實現(xiàn)人-機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)的示意圖，其中，9為捕撈機(jī)器人，10為臍帶，11為母船；圖5為全景立體視覺檢測障礙物的說明圖；圖6為全景立體視覺傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖7為全景立體成像原理以及全景立體視覺范圍的說明圖，其中，(a)為所述的全景立體視覺傳感器的外觀圖，(b)表示了全景立體成像的空間物點檢測模型，(C)表示了全景立體成像的成像范圍；圖8為基于人工肌肉的捕撈機(jī)器手。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1 圖8，一種捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，包括捕撈機(jī)器人，用于對捕撈現(xiàn)場和捕撈機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析處理和判斷的、并用于在人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)中為捕撈管理人員提供遠(yuǎn)程干預(yù)和管理的計算機(jī)，用于對捕撈機(jī)器人處于非常規(guī)情況下的事件進(jìn)行人工干預(yù)的以及對捕撈機(jī)器人進(jìn)行捕撈調(diào)度規(guī)劃的捕撈管理人員，用于乘載捕撈管理人員以及收集和運輸捕撈對象的母船，用于定位母船空間位置的GPS ；所述的捕撈機(jī)器人，包括外部形狀類似于海龜?shù)牟稉茩C(jī)器人的本體，基于人工肌肉的具有海底行走和捕撈海底生物兩種功能的機(jī)器手，用于感知水深的壓力傳感器，用于檢測捕撈機(jī)器人行走方向的數(shù)字羅盤，用于獲取捕撈機(jī)器人周邊360°的全景立體視覺視頻圖像的雙目立體全景視覺傳感器和用于控制機(jī)器手協(xié)調(diào)海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導(dǎo)航、控制捕撈動作以及與水面母船進(jìn)行信息交互的智能體，以下簡稱Agent,與水面母船進(jìn)行通信和能源設(shè)備提供設(shè)備連接的臍帶；所述的捕撈機(jī)器人本體，外形非常類似于海龜，底部平坦，背部隆起，俯視呈現(xiàn)橢圓形，如附圖1所示；所述的捕撈機(jī)器人本體內(nèi)部分隔成為三個空間，一個空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對象；一個空間為控制設(shè)備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設(shè)備儀器儀表艙中安裝著所述的智能體、其他控制儀器儀表以及備用電源，所述的臍帶接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體通信接口和備用電源進(jìn)行連接；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機(jī)器人提供照明的環(huán)形LED光源，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機(jī)器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的USB接口進(jìn)行連接；所述的壓力傳感器，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的A/D接口進(jìn)行連接，用于檢測所述的捕撈機(jī)器人本體所受到的海水壓力，從而從壓力值推算出所述的捕撈機(jī)器人本體所處的深度；所述的數(shù)字羅盤，安置在控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)，與所述的智能體的I/O接口進(jìn)行連接，用于檢測所述的捕撈機(jī)器人的行走方向，根據(jù)所述的捕撈機(jī)器人行走控制與行走方向得到所述的捕撈機(jī)器人在海底行走的軌跡；一個空間為浮力艙，位于收集艙和控制設(shè)備儀器儀表艙之間，主要用于控制所述的捕撈機(jī)器人行走時的穩(wěn)定性以及升降；所述的浮力艙上開有兩個口，一個口用電磁閥控制其開和閉，當(dāng)開的狀態(tài)時浮力艙與外界相通，當(dāng)閉的狀態(tài)時浮力艙與外界隔絕；另一個口與水泵輸入口連接，水泵工作時將浮力艙的海水抽出，在浮力艙中形成一定的真空，使得捕撈機(jī)器人上浮；因此當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的下降時，控制電磁閥開讓海水進(jìn)入所述的浮力艙；當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的上升時，控制電磁閥關(guān)閉然后使水泵工作讓所述的浮力艙中的海水抽出，使得捕撈機(jī)器人具有向上的浮力；所述的Agent根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器感知的信息進(jìn)行分析、計算和推理，在常規(guī)情況下，根據(jù)所述的捕撈管理人員下達(dá)的捕撈區(qū)域和捕撈時間的捕撈作業(yè)調(diào)度決策，自動做出路徑規(guī)劃，驅(qū)動所述的捕撈機(jī)器手完成邊行走邊捕撈的任務(wù)操作；在非常規(guī)情況下通過通信網(wǎng)向捕撈管理人員提供非規(guī)則事件等信息，請求捕撈管理人員的干預(yù)；所述的捕撈機(jī)器手，采用一種基于氣動人工肌肉的捕撈管道，其外形呈管三自由度肌肉狀，如附圖8所示，管內(nèi)分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔，分別控制三個空腔的壓力來實現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，從而實現(xiàn)三個自由度的控制；通過控制三個空腔的壓力使得捕撈管道的捕撈口對準(zhǔn)捕撈對象；所述的捕撈機(jī)器手有兩個功能，一個功能是實現(xiàn)捕撈機(jī)器人在海底的行走，另一個功能是實現(xiàn)捕撈對象吸入捕撈；當(dāng)捕撈口對準(zhǔn)捕撈對象時控制脈沖式真空發(fā)生模塊動作產(chǎn)生脈沖式真空氣流將捕撈對象吸入到捕撈管道中；所述的全景立體視覺傳感器，如附圖7所示，包括兩臺具有相同參數(shù)的無死角的固定單視點的全方位視覺裝置，以下簡稱0DVS，兩臺ODVS按照全方位的極線平面要求以背靠背的方式結(jié)合在一起，如附圖6所示；在ODVS的折反射鏡面設(shè)計上通過增大視覺垂直范圍來擴(kuò)大兩個合成的ODVS視覺重疊區(qū)域來獲得較大的雙目立體視覺范圍，并使雙目立體ODVS具有同時知覺、融合力和立體感；附圖7(a)為所述的全景立體視覺傳感器的外觀圖，附圖7(b)表示了全景立體成像的空間物點檢測模型，附圖7(c)表示了全景立體成像的成像范圍，主要用于獲取仿生海底生物捕撈機(jī)器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，通過USB接口與所述的Agent的硬件連接；所述的通信網(wǎng)，用于捕撈管理人員與捕撈機(jī)器人之間的信息交互，附圖4為乘坐在母船控制室內(nèi)的捕撈管理人員與捕撈機(jī)器人之間構(gòu)成的通信網(wǎng)拓?fù)鋱D，GPS定位技術(shù)為母船提供了空間位置信息，安裝在捕撈機(jī)器人內(nèi)的數(shù)字羅盤為捕撈機(jī)器人的行走方向提供方位信息；通過所述的通信網(wǎng)將分布在捕撈區(qū)域中的捕撈機(jī)器人與捕撈管理人員構(gòu)成一個人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)，根據(jù)需求、環(huán)境和捕撈對象的變化，協(xié)同地感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的多捕撈機(jī)器人和各種捕撈對象的信息，形成一種人與捕撈機(jī)器人相互激發(fā)、優(yōu)勢互補(bǔ)、共同尋求問題求解的協(xié)同機(jī)制；所述的臍帶主要由單模光纖線和電芯線構(gòu)成，采用單模光纖線主要是為了滿足傳輸3000米左右的信息需要；電芯線和單模光纜線均為單內(nèi)涂層；這些線的外面模壓或填充柔軟而耐用的模壓樹脂或纖維，所述的臍帶的外表面履蓋耐磨材料層；把鍍錫銅線用作電芯線；把聚乙烯或聚丙烯用作電芯線的內(nèi)涂層的材料；把凱夫拉纖維或碳樹脂用作模壓樹月旨，把聚乙烯或聚丙烯用作耐磨外涂層的材料；把特氛隆用作單模光纖線的內(nèi)涂層的材料；單模光纖線為水面母船與智能體之間提供信息交互的通道，電芯線為所述的捕撈機(jī)器人提供電源；所述的捕撈管理人員駕駛乘坐在所述的母船的控制室中，通過通信網(wǎng)對分布在捕撈區(qū)域內(nèi)的各所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行巡視；對所述的捕撈機(jī)器人發(fā)生的各種非常規(guī)情況，即緊急行為進(jìn)行及時的處置，對所述的捕撈機(jī)器人發(fā)出的捕撈海底生物裝卸請求做出響應(yīng)，控制請求的捕撈機(jī)器人上升到海面，然后將所述的捕撈機(jī)器人的本體底部從本體上卸下，用空的收集艙更換盛滿了捕撈對象的收集艙，重新將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部連接到本體上，接著將所述的捕撈機(jī)器人放入海中繼續(xù)進(jìn)行捕撈；所述的母船的控制室內(nèi)配置了所述的計算機(jī)，所述的計算機(jī)中安裝了捕撈管理和控制系統(tǒng)軟件，所述的捕撈管理人員通過所述的計算機(jī)對分布在各區(qū)域內(nèi)的所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行捕撈管理和控制；所述的計算機(jī)通過所述的通信網(wǎng)與分布在各區(qū)域內(nèi)的所述的捕撈機(jī)器人中的所述的Agent進(jìn)行信息交互；所述的捕撈管理人員根據(jù)感知層面上所獲得的捕撈環(huán)境等信息以及捕撈目標(biāo)任務(wù)制定捕撈機(jī)器人-時間甘特圖和捕撈區(qū)域-時間甘特圖，然后將捕撈任務(wù)分派給分布在各捕撈區(qū)域的所述的捕撈機(jī)器人中駐留的所述的Agent ；所述的Agent，駐留在所述的捕撈機(jī)器人中，其硬件主要包括:A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、并行I/O接口、USB接口、存儲單元、CPU、無線通信模塊；其軟件主要包括任務(wù)規(guī)劃行為模塊、協(xié)調(diào)行為模塊、與捕撈管理人的交互行為模塊、緊急行為模塊、升降行為模塊、避障行為模塊、定位行為模塊、路徑跟蹤行為模塊、行走行為模塊、轉(zhuǎn)向行為模塊、捕撈對象的識別行為模塊、捕撈對象的空間定位行為模塊和捕撈行為模塊，如附圖1所示；所述的Agent駐留在所述的捕撈機(jī)器人中，如附圖2、附圖3所示；所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，所述的Agent根據(jù)所述的捕撈管理人員發(fā)出的捕撈調(diào)度指令，在規(guī)定的捕撈區(qū)域內(nèi)做出遍歷路徑規(guī)劃，控制捕撈機(jī)器人沿規(guī)劃出的路徑以直線方式行走，至邊界后掉頭，然后沿反方向直線運行如此反復(fù)遷回，直到整個捕撈區(qū)域被覆蓋;所述的緊急行為模塊，主要是基于安全因素的考慮，所述的緊急行為是所述的捕撈機(jī)器人優(yōu)先級最高的行為，一般在所述的捕撈機(jī)器人避障行為失敗后或者是發(fā)生顛倒不能行走等事故就切換到所述的緊急行為；當(dāng)所述的緊急行為發(fā)生時，所述的Agent立刻向所述的捕撈管理人員發(fā)出請求干預(yù)信息，等待所述的捕撈管理人員干預(yù)處理；當(dāng)規(guī)定時間內(nèi)沒有接到所述的管理人員干預(yù)情況下，自動啟動所述的升降行為模塊工作，使得捕撈機(jī)器人浮出海面；所述的升降行為模塊，用于控制捕撈機(jī)器人的上升或下降，當(dāng)捕撈機(jī)器人上升到海面時上升動作自動停止，當(dāng)捕撈機(jī)器人下降至海底時下降動作自動停止；所述的升降行為模塊一方面由母船上的捕撈人員通過計算機(jī)控制，另一方面由捕撈機(jī)器人的Agent控制；母船上的捕撈人員的控制具有優(yōu)先權(quán)；
所述的避障行為模塊，當(dāng)捕撈機(jī)器人遇到捕撈環(huán)境中的障礙時執(zhí)行避障行為，它的目的是當(dāng)捕撈機(jī)器人在行走的路徑中遇到障礙物的時候，使捕撈機(jī)器人順利地避開障礙，并對障礙周圍區(qū)域進(jìn)行充分覆蓋捕撈；控制機(jī)器手的三個自由度動作裝置的包括用于通入所述的機(jī)器手中捕撈管道內(nèi)空腔的壓力發(fā)生器，用于對通入各捕撈管道內(nèi)空腔的壓力進(jìn)行控制的壓力比例控制閥，用于對通入各捕撈管道內(nèi)空腔的壓力進(jìn)行檢測的壓力傳感器，用于對各壓力比例控制閥進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的壓力比例控制器，用于吸入捕撈對象的脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊，用于控制執(zhí)行捕撈動作的捕撈控制模塊，用于控制行走動作的行走控制模塊；所述的行走控制模塊，從屬于Agent，用以控制所述的基于人工肌肉的機(jī)器手完成三個自由度的協(xié)調(diào)動作，使得所述的捕撈機(jī)器人實現(xiàn)向前、向后、向左和向右的移動；所述的捕撈控制模塊，從屬于Agent，用以控制所述的基于人工肌肉的捕撈機(jī)器手的三個自由度的動作，使得捕撈機(jī)器手的捕撈口對準(zhǔn)捕撈對象；當(dāng)捕撈口對準(zhǔn)捕撈對象時控制所述的脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊動作產(chǎn)生脈沖式負(fù)壓將捕撈對象吸入到捕撈管道中；所述的Agent還包括全景立體圖像獲取單元、自主導(dǎo)航模塊和智能視頻分析模塊、與母船信息交互模塊，任務(wù)規(guī)劃行為模塊；所述的全景立體圖像獲取單元，用于獲取初始化信息和全景立體視頻圖像；所述的自主導(dǎo)航模塊，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，解析仿生海底生物捕撈機(jī)器人周圍的地域環(huán)境，完成路徑規(guī)劃和避障任務(wù)；所述的智能視頻分析模塊，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，從全景立體視覺視頻圖像中解析出捕撈對象、捕撈對象大小以及所處的空間位置，為針對性的捕撈提供捕撈口的空間位置信息；所述的與母船信息交互模塊，用于將所述的捕撈機(jī)器人周圍的全景立體視頻圖像傳輸給母船、接受從母船發(fā)出的控制指令；包括以下交互行為1)請求干預(yù)的交互行為，當(dāng)捕撈機(jī)器人發(fā)生緊急事件、捕撈機(jī)器人的收集艙已滿等情況時，請求捕撈管理人員干預(yù)；2)接受捕撈調(diào)度指令的交互行為，當(dāng)捕撈管理人員下達(dá)捕撈任務(wù)后，將捕撈任務(wù)轉(zhuǎn)達(dá)給所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，在所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊做出遍歷路徑規(guī)劃后，將遍歷路徑規(guī)劃反饋給母船上的管理人員；3)協(xié)商的交互行為，根據(jù)所述的Agent根據(jù)自身感知的情況，通過對自身知識的推理，能向母船上的管理人員提供適當(dāng)?shù)膸椭徒ㄗh；4)提供捕撈現(xiàn)場信息的交互行為，負(fù)責(zé)響應(yīng)來自捕撈管理人員的上傳信息指令，將所述的Agent所感知到的全景視頻信息、捕撈機(jī)器人的行走方向和深度信息和分析得到的狀態(tài)信息上傳給捕撈管理人員；所述的轉(zhuǎn)向行為模塊，當(dāng)所述的捕撈機(jī)器人的所述的避障行為模塊檢測到捕撈邊界或障礙邊界即切換到轉(zhuǎn)向行為，該行為與捕撈機(jī)器人的路徑跟蹤行為配合完成的全區(qū)域覆蓋捕撈任務(wù)；所述的捕撈對象的識別行為模塊，根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器獲得的全景視頻信息，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對捕撈對象的特征進(jìn)行識別；所述的捕撈對象的空間定位行為模塊，根據(jù)所述的捕撈對象的識別行為模塊所識別的結(jié)果，并根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器獲得的全景視頻信息，依據(jù)立體成像原理計算出捕撈對象的空間位置，從而為捕撈機(jī)器手提供捕撈對象的空間位置信息；
所述的捕撈行為模塊，主要用于直接控制捕撈機(jī)器手的動作，當(dāng)所述的捕撈對象的空間定位行為模塊計算出捕撈對象的空間位置后，所述的捕撈行為模塊驅(qū)動捕撈機(jī)器手的動作對準(zhǔn)捕撈對象并控制脈沖式真空發(fā)生模塊動作產(chǎn)生脈沖式真空氣流將捕撈對象吸入到捕撈管道中；所述的協(xié)調(diào)行為模塊，分為外部協(xié)調(diào)和內(nèi)部協(xié)調(diào)，內(nèi)部協(xié)調(diào)主要對上述各行為模塊進(jìn)行選擇，決定哪個行為模塊被激活，并對同時激活的行為模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)；1)體現(xiàn)緊急事件最優(yōu)先的原則，一旦所述的緊急行為模塊發(fā)出緊急請求時所述的協(xié)調(diào)行為模塊首先讓所述的直行捕撈行為模塊、所述的轉(zhuǎn)向行為模塊和所述的避障行為模塊設(shè)置為休眠鎖定狀態(tài)，接著通過與所述的捕撈管理人的交互行為模塊向捕撈管理人員請求干預(yù)，當(dāng)捕撈管理人員處理完緊急事件后才能解除所述的直行捕撈行為模塊、所述的轉(zhuǎn)向行為模塊和所述的避障行為模塊設(shè)置為休眠鎖定狀態(tài)；2)體現(xiàn)按捕撈作業(yè)順序工作的原則，主要是協(xié)調(diào)好所述的捕撈機(jī)器人邊行走、邊捕撈的動作，以保證在捕撈時刻不行走，在行走中不捕撈，當(dāng)檢測到所述的機(jī)器手的捕撈范圍內(nèi)有捕撈對象時停止行走，當(dāng)周邊的捕撈對象都捕撈結(jié)束時再啟動行走；對于迂回式的捕撈作業(yè)順序是行走一捕撈一…行走一捕撈一轉(zhuǎn)向一行走一捕撈一…；在行走、捕撈和轉(zhuǎn)向行為的同時其他行為模塊均處于激活狀態(tài)，并以多線程的方式分別運行在所述的Agent中；所述的與捕撈管理人的交互行為模塊，主要有以下幾類交互行為1)請求干預(yù)的交互行為，當(dāng)捕撈機(jī)器人發(fā)生緊急事件、捕撈機(jī)器人內(nèi)部的捕撈艙已滿等情況時，請求捕撈管理人員干預(yù)；2 )接受捕撈調(diào)度指令的交互行為，當(dāng)捕撈管理人員下達(dá)捕撈任務(wù)后，將捕撈任務(wù)轉(zhuǎn)達(dá)給所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，在所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊做出遍歷路徑規(guī)劃后，將遍歷路徑規(guī)劃反饋給捕撈管理人員；3)協(xié)商的交互行為，根據(jù)所述的Agent根據(jù)自身感知的情況，通過對自身 知識的推理，能向捕撈管理人員提供適當(dāng)?shù)膸椭徒ㄗh；4)提供捕撈現(xiàn)場信息的交互行為，負(fù)責(zé)響應(yīng)來自捕撈管理人員的上傳信息指令，將所述的Agent所感知到的全景視頻信息和分析得到的狀態(tài)信息上傳給捕撈管理人員；所述的避障行為模塊，其核心是要通過全景立體視覺的方式檢測出行進(jìn)方向上的障礙物，障礙物全景立體視覺檢測算法的主要思路是1)去除全景立體圖像中非立體視覺視場方位的部分，對全景圖像進(jìn)行展開和極線校正，這部分主要通過展開圖像內(nèi)徑、外徑、以及柱狀展開圖上極線校正來完成；2)對展開圖像采用邊緣檢測技術(shù)初步檢測出疑似障礙物的邊緣信息，通過閾值調(diào)整，檢測出障礙物的邊緣信息；3)對捕撈機(jī)器人所獲取的全景立體圖像對中的所有疑似障礙物點利用極線約束進(jìn)行立體匹配，根據(jù)匹配的像素對的圖像坐標(biāo)值進(jìn)行立體視覺空間點的重建，根據(jù)全景立體視覺傳感器成像時，圖像坐標(biāo)、全景立體視覺傳感器的坐標(biāo)以及現(xiàn)實世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計算得出其相應(yīng)的高度值，當(dāng)高度大于給定閾值時則判定為障礙物點；障礙物點的高度以及障礙物點與捕撈機(jī)器人的距離的計算方法由公式(I廣公式(2 )表示；Cl=(IDCosY1CosY2)Zsin(YfY2)(I)h=H-b_dXarctan y 2=H_dXarctan Y1(2)式中，d表示障礙物點A與捕撈機(jī)器人的全景立體視覺軸線在海底面上投影點的距離，b表示構(gòu)成全景立體視覺的兩個全景視覺傳感器的視點間的距離，Y1表示障礙物點A在上全景視覺傳感器上成像的入射角，Y 2表示障礙物點A在下全景視覺傳感器上成像的入射角，h表示障礙物點A的高度，H表示上全景視覺傳感器的視點到海底面的距離，障礙物計算檢測原理如附圖5所示；進(jìn)一步，在檢測出障礙物后就需要讓捕撈機(jī)器人采取避障行為，避障行為的算法流程為步驟I)如果沒有檢測到障礙物，則沿著所設(shè)定的方向前進(jìn)；步驟2)如果檢測到前進(jìn)方向存在障礙物，獲得障礙物的距離信息，判斷障礙物與捕撈機(jī)器人的距離是否小于2米，如果是則進(jìn)入避障區(qū)；步驟3)進(jìn)入障礙區(qū)后減速前進(jìn)，啟動避障策略，繞開障礙物；步驟4)關(guān)閉避障策略，繼續(xù)從步驟I)開始執(zhí)行，直至遍歷整個捕撈區(qū)域；避障策略采用模糊控制算法來實現(xiàn)；進(jìn)一步，所述的基于人工肌肉的捕撈管道，所述捕撈管道的外形呈管三自由度肌肉狀，管內(nèi)分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔，如附圖8所示；通過分別控制三個空腔的壓力來實現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，實現(xiàn)三個自由度的控制；在所述的基于人工肌肉的捕撈管道的內(nèi)外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強(qiáng)纖維，纖維走向與肌肉的軸向有一夾角a，考慮到所述的基于人工肌肉的捕撈管道的柔軟性，將夾角a設(shè)計為70° 10° ;這樣由于纖維單方向增強(qiáng)效果的影響，沿垂直于纖維方向的變形比沿纖維方向變形容易得多；所述的定位行為模塊，與所述的母船的相對位置的定位是由安裝在捕撈機(jī)器人的儀器艙中的數(shù)字羅盤所指定的行走方向和所述的路徑跟蹤行為模塊的歷史跟蹤結(jié)果來確定的；所述的母船的定位是由GPS來確定的；所述的數(shù)字羅盤，采用電子磁羅盤作輔助傳感器，精度在1°左右，其誤差不隨時間累積，與慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，可以提高捕撈機(jī)器人的航向精度；本發(fā)明中采用美國Honwell公司生產(chǎn)的HMR3500電子磁羅盤，內(nèi)部裝有全球地磁修正模型，能根據(jù)時間和地理經(jīng)緯度對地磁模型進(jìn)行補(bǔ)償修正，得到地理北方位，該傳感器還具備使用環(huán)境的磁場補(bǔ)償功能。本發(fā)明不加任何修改，可以直接用于海底生物調(diào)查等勘探工作。
權(quán)利要求
1.一種海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于包括捕撈機(jī)器人，用于對捕撈現(xiàn)場和捕撈機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析處理和判斷的、并用于在人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)中為捕撈管理人員提供遠(yuǎn)程干預(yù)和管理的計算機(jī)，用于乘載捕撈管理人員以及收集和運輸捕撈對象的母船，用于定位母船空間位置的GPS ；所述的捕撈機(jī)器人，包括捕撈機(jī)器人的本體，基于人工肌肉的具有海底行走和捕撈海底生物兩種功能的機(jī)器手，用于感知水深的壓力傳感器，用于檢測捕撈機(jī)器人行走方向的數(shù)字羅盤，用于獲取捕撈機(jī)器人周邊360°的全景立體視覺視頻圖像的雙目立體全景視覺傳感器和用于控制機(jī)器手協(xié)調(diào)海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導(dǎo)航、控制捕撈動作以及與水面母船進(jìn)行信息交互的智能體，以下簡稱Agent，與水面母船進(jìn)行通信和能源設(shè)備提供設(shè)備連接的臍帶；所述的Agent根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器感知的信息進(jìn)行分析、計算和推理，根據(jù)所述的捕撈管理人員下達(dá)的捕撈區(qū)域和捕撈時間的捕撈作業(yè)調(diào)度決策，自動做出路徑規(guī)劃，驅(qū)動所述的捕撈機(jī)器手完成邊行走邊捕撈的任務(wù)操作；通過通信網(wǎng)向捕撈管理人員提供非規(guī)則事件信息，請求捕撈管理人員的干預(yù)；所述的Agent駐留在所述的捕撈機(jī)器人中，所述的Agent包括任務(wù)規(guī)劃行為模塊、協(xié)調(diào)行為模塊、與捕撈管理人的交互行為模塊、緊急行為模塊、升降行為模塊、避障行為模塊、定位行為模塊、路徑跟蹤行為模塊、行走行為模塊、轉(zhuǎn)向行為模塊、捕撈對象的識別行為模塊、 捕撈對象的空間定位行為模塊和捕撈行為模塊；所述的通信網(wǎng)，用于捕撈管理人員與捕撈機(jī)器人之間的信息交互，GPS為母船提供空間位置信息，安裝在捕撈機(jī)器人內(nèi)的數(shù)字羅盤為捕撈機(jī)器人的行走方向提供方位信息；通過所述的通信網(wǎng)將分布在捕撈區(qū)域中的捕撈機(jī)器人與捕撈管理人員構(gòu)成一個人-捕撈機(jī)器人一體化的捕撈管理和控制系統(tǒng)，協(xié)同地感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的多捕撈機(jī)器人和各種捕撈對象的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于捕撈管理人員駕駛乘坐在所述的母船的控制室中，通過通信網(wǎng)對分布在捕撈區(qū)域內(nèi)的各所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行巡視；對所述的捕撈機(jī)器人發(fā)生的各種非常規(guī)情況，即緊急行為進(jìn)行及時的處置，對所述的捕撈機(jī)器人發(fā)出的捕撈海底生物裝卸請求做出響應(yīng)，控制請求的捕撈機(jī)器人上升到海面，然后將所述的捕撈機(jī)器人的本體底部從本體上卸下，用空的收集艙更換盛滿了捕撈對象的收集艙，重新將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部連接到本體上，接著將所述的捕撈機(jī)器人放入海中繼續(xù)進(jìn)行捕撈；所述的母船的控制室內(nèi)配置了所述的計算機(jī)，所述的計算機(jī)中安裝了捕撈管理和控制系統(tǒng)軟件，所述的捕撈管理人員通過所述的計算機(jī)對分布在各區(qū)域內(nèi)的所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行捕撈管理和控制；所述的計算機(jī)通過所述的通信網(wǎng)與分布在各區(qū)域內(nèi)的所述的捕撈機(jī)器人中的所述的Agent進(jìn)行信息交互。
3.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的緊急行為模塊，所述的緊急行為是所述的捕撈機(jī)器人優(yōu)先級最高的行為，在所述的捕撈機(jī)器人避障行為失敗后或者是發(fā)生顛倒不能行走事故就切換到所述的緊急行為；當(dāng)所述的緊急行為發(fā)生時，所述的Agent立刻向所述的捕撈管理人員發(fā)出請求干預(yù)信息，等待所述的捕撈管理人員干預(yù)處理；當(dāng)規(guī)定時間內(nèi)沒有接到所述的管理人員干預(yù)情況下，自動啟動所述的升降行為模塊工作，使得捕撈機(jī)器人浮出海面。
4.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的升降行為模塊，用于控制捕撈機(jī)器人的上升或下降，當(dāng)捕撈機(jī)器人上升到海面時上升動作自動停止,當(dāng)捕撈機(jī)器人下降至海底時下降動作自動停止；所述的升降行為模塊一方面由母船上的捕撈人員通過計算機(jī)控制，另一方面由捕撈機(jī)器人的 Agent控制；母船上的捕撈人員的控制具有優(yōu)先權(quán)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的協(xié)調(diào)行為模塊包括外部協(xié)調(diào)單元和內(nèi)部協(xié)調(diào)單元，內(nèi)部協(xié)調(diào)單元對直行捕撈行為模塊、升降行為模塊、轉(zhuǎn)向行為模塊、行走行為模塊和避障行為模塊進(jìn)行選擇，決定哪個行為模塊被激活，并對同時激活的行為模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)；1)體現(xiàn)緊急事件最優(yōu)先的原則，一旦所述的緊急行為模塊發(fā)出緊急請求時所述的協(xié)調(diào)行為模塊首先讓所述的直行捕撈行為模塊、所述的轉(zhuǎn)向行為模塊和所述的避障行為模塊設(shè)置為休眠鎖定狀態(tài)，接著通過與所述的捕撈管理人的交互行為模塊向捕撈管理人員請求干預(yù)，當(dāng)捕撈管理人員處理完緊急事件后才能解除所述的直行捕撈行為模塊、所述的轉(zhuǎn)向行為模塊和所述的避障行為模塊設(shè)置為休眠鎖定狀態(tài)；2)體現(xiàn)按捕撈作業(yè)順序工作的原則，協(xié)調(diào)好所述的捕撈機(jī)器人邊行走、邊捕撈的動作，當(dāng)檢測到所述的機(jī)器手的捕撈范圍內(nèi)有捕撈對象時停止行走，當(dāng)周邊的捕撈對象都捕撈結(jié)束時再啟動行走；在行走、捕撈和轉(zhuǎn)向行為的同時其他行為模塊均處于激活狀態(tài)，并以多線程的方式分別運行在所述的Agent中。
6.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的與捕撈管理人的交互行為模塊，包括以下交互行為1)請求干預(yù)的交互行為，當(dāng)捕撈機(jī)器人發(fā)生緊急事件、捕撈機(jī)器人中的捕撈艙已滿等情況時，請求捕撈管理人員干預(yù)；2)接受捕撈調(diào)度指令的交互行為，當(dāng)捕撈管理人員下達(dá)捕撈任務(wù)后，將捕撈任務(wù)轉(zhuǎn)達(dá)給所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，在所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊做出遍歷路徑規(guī)劃后，將遍歷路徑規(guī)劃反饋給捕撈管理人員；3)協(xié)商的交互行為，根據(jù)所述的Agent根據(jù)自身感知的情況，通過對自身知識的推理，能向捕撈管理人員提供適當(dāng)?shù)膸椭徒ㄗh；4)提供捕撈現(xiàn)場信息的交互行為，負(fù)責(zé)響應(yīng)來自捕撈管理人員的上傳信息指令，將所述的Agent所感知到的全景視頻信息和分析得到的狀態(tài)信息上傳給捕撈管理人員。
7.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，所述的Agent根據(jù)所述的捕撈管理人員發(fā)出的捕撈調(diào)度指令，在規(guī)定的捕撈區(qū)域內(nèi)做出遍歷路徑規(guī)劃，控制捕撈機(jī)器人沿規(guī)劃出的路徑以直線方式行走，至捕撈邊界后掉頭，然后沿反方向直線運行如此反復(fù)遷回，直到整個捕撈區(qū)域被覆蓋。
8.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的避障行為模塊，通過全景立體視覺的方式檢測出行進(jìn)方向上的障礙物,障礙物全景立體視覺檢測算法的主要思路是1)去除全景立體圖像中非立體視覺視場方位的部分，對全景圖像進(jìn)行展開和極線校正，這部分主要通過展開圖像內(nèi)徑、外徑、以及柱狀展開圖上極線校正來完成；2)對展開圖像采用邊緣檢測技術(shù)初步檢測出疑似障礙物的邊緣信息，通過閾值調(diào)整，檢測出障礙物的邊緣信息；3)對捕撈機(jī)器人所獲取的全景立體圖像對中的所有疑似障礙物點利用極線約束進(jìn)行立體匹配，根據(jù)匹配的像素對的圖像坐標(biāo)值進(jìn)行立體視覺空間點的重建，根據(jù)全景立體視覺傳感器成像時，圖像坐標(biāo)、全景立體視覺傳感器的坐標(biāo)以及現(xiàn)實世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計算得出其相應(yīng)的高度值，當(dāng)高度大于給定閾值時則判定為障礙物點；障礙物點的高度以及障礙物點與捕撈機(jī)器人的距離的計算方法由公式(1) 公式(2)表示；d= (bcos Y 1cos Y2)/ sin ( Y - Y 2)(I)h=H-b_dXarctan r 2=H_dXarctan Y1(2)式中，d表示障礙物點A與捕撈機(jī)器人的全景立體視覺軸線在海底面上投影點的距離， b表示構(gòu)成全景立體視覺的兩個全景視覺傳感器的視點間的距離，Y !表示障礙物點A在上全景視覺傳感器上成像的入射角，Y2表示障礙物點A在下全景視覺傳感器上成像的入射角，h表示障礙物點A的高度，H表示上全景視覺傳感器的視點到海底面的距離；在檢測出障礙物后就需要讓捕撈機(jī)器人采取避障行為，避障行為的算法流程為步驟 1)如果沒有檢測到障礙物，則沿著所設(shè)定的方向前進(jìn)；步驟2)如果檢測到前進(jìn)方向存在障礙物，獲得障礙物的距離信息，判斷障礙物與捕撈機(jī)器人的距離是否小于2米，如果是則進(jìn)入避障區(qū)；步驟3)進(jìn)入障礙區(qū)后減速前進(jìn)，啟動避障策略，繞開障礙物；步驟4)關(guān)閉避障策略，繼續(xù)從步驟1)開始執(zhí)行，直至遍歷整個捕撈區(qū)域；避障策略采用模糊控制算法來實現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的定位行為模塊，與所述的母船的相對位置的定位是由安裝在捕撈機(jī)器人的儀器艙中的數(shù)字羅盤所指定的行走方向和所述的路徑跟蹤行為模塊的歷史跟蹤結(jié)果來確定的；所述的母船的定位是由GPS來確定的；所述的數(shù)字羅盤，采用電子磁羅盤作輔助傳感器，精度在1°左右，其誤差不隨時間累積，與慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，可以提高捕撈機(jī)器人的航向精度；本發(fā)明中采用美國 Honwell公司生產(chǎn)的HMR3500電子磁羅盤，內(nèi)部裝有全球地磁修正模型，能根據(jù)時間和地理經(jīng)緯度對地磁模型進(jìn)行補(bǔ)償修正，得到地理北方位，該傳感器還具備使用環(huán)境的磁場補(bǔ)償功能。
10.如權(quán)利要求1或2所述的海底生物捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于所述的捕撈對象的識別行為模塊，根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器獲得的全景視頻信息，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對捕撈對象的特征進(jìn)行識別；所述的捕撈對象的空間定位行為模塊，根據(jù)所述的捕撈對象的識別行為模塊所識別的結(jié)果，并根據(jù)所述的全景立體視覺傳感器獲得的全景視頻信息，依據(jù)立體成像原理計算出捕撈對象的空間位置，從而為捕撈機(jī)器手提供捕撈對象的空間位置信息；所述的捕撈行為模塊，用于直接控制捕撈機(jī)器手的動作，當(dāng)所述的捕撈對象的空間定位行為模塊計算出捕撈對象的空間位置后，所述的捕撈行為模塊驅(qū)動捕撈機(jī)器手的動作對準(zhǔn)捕撈對象并控制脈沖式真空發(fā)生模塊動作產(chǎn)生脈沖式真空氣流將捕撈對象吸入到捕撈管道中。
全文摘要
一種捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)，包括捕撈機(jī)器人，用于對捕撈現(xiàn)場和捕撈機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析處理和判斷的、并用于在人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)中為捕撈管理人員提供遠(yuǎn)程干預(yù)和管理的計算機(jī)，用于乘載捕撈管理人員以及收集和運輸捕撈對象的母船，用于定位母船空間位置的GPS；捕撈機(jī)器人中的Agent與水面母船進(jìn)行信息交互，并自主完成海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、控制捕撈等動作。本發(fā)明提供一種具有機(jī)構(gòu)簡單、控制復(fù)雜度低、有限智能化、捕撈效率高、環(huán)境適應(yīng)性好、制造和維護(hù)成本低、能針對性的實現(xiàn)捕撈的深海捕撈機(jī)器人的自主導(dǎo)航和人機(jī)協(xié)同捕撈作業(yè)系統(tǒng)。
文檔編號B63C11/00GK103057678SQ201210553378
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者湯一平, 俞立, 孫明軒, 倪洪杰, 余世明 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)